The influence of aggregate particles on the local strain distribution and fracture mechanism of cement paste during drying shrinkage and loading to failure

Summary This paper introduces some preliminary results from a compre-hensive investigation into the influence of the structure of concrete on its internal and overall deformational behaviour under combined stresses. Two-dimensional plate models were loaded in uniaxial compression and the local strain distribution in the fine mortar matrix around aggregate particles was measured using electrical resis-tance strain gauges and photo-elastic coatings. Triaxial strain measurements at discontinuity and ultimate stress were made on cylindrical specimens, of the fine mortar matrix using a special hydraulic triaxial cell. The local and composite material strains at fracture initiation in the plate models were compared with the corresponding values obtained from the triaxial compression tests on the fine mortar matrix and uniaxial compression tests on idealized “three dimensional” concretes. Results indicate that the presence of aggregate particles alters considerably the local strains in the mortar matrix. The restraining influence of strong, hard aggregates induces shrinkage cracks in unloaded specimens which may or may not weaken the material depending on the local and applied stress states. For the models tested under uniaxial compression, cracking was initiated in the mortar matrix at composite material strains which were smaller than for the pure mortar and decreased with increasing volume fraction of coarse aggregate.

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Résumé Ce rapport fournit quelques résultats préliminaires d'une étude complète de l'influence de la structure du béton sur les caractéristiques de ses déformations, internes et apparentes, sous des efforts combinés. Des modèles bi-dimensionnels en forme de plaques ont été soumis à une compression uniaxiale et la répartition des déformations locales dans le mortier fin enrobant les grains d'agrégat a été mesurée au moyen de jauges à résistances électriqués et de vernis photo-élastiques. Les mesures de la déformation volumétrique à l'endroit de la discontinuité et la mesure de rupture ont été faites sur des éprouvettes cylin-driques constituées par le mortier fin d'enrobage, à l'aide d'une cellule de mesure triaxiale hydraulique spéciale. Les déformations locales et celles du matériau composé au début de la rupture des modèles ont été comparées avec les valeurs correspondantes obtenues par l'essai de compression volumétrique du mortier fin d'enrobage et par l'essai à la compression uniaxiale sur les bétons ?tri-dimensionnels idéalisés?. Les résultats indiquent que la présence de grains d'agrégat altèrefortement les déformations locales du mortier d'enrobage. L'effet restrictif d'agrégats durs et résistants provoque des fissures de retrait dans les éprouvettes non-chargées, ce qui peut affaiblir ou non le matériau suivant l'état des déformations imposées. Pour les modèles soumis à la compression uniaxiale, la fissuration commen?ait dans le mortier d'enrobage, pour des déformations de l'ensemble du matériau composé inférieures à celles subies par le mortier pur, et qui diminuaient avec l'accroissement de la part volumique du gross agrégat.